Дисциплина «Электронные промышленные устройства»

Дисциплина «Электронные промышленные
устройства»
Тема : Управляющие автоматы
Сулимов Юрий Иванович
к.т.н., доцент кафедры «Промышленная электроника»
Автоматное преобразование информации
Результат преобразования вход - выход
• зависит не только от того, какая информация в
данный момент появилась на входе, но и от того, что
происходило раньше.
• Существуют преобразователи, в которых их реакция
зависит не только от входных сигналов в данный
момент, но и от того, что было на входе , от входной
истории раньше. Такие преобразователи называются
автоматами и определяются они в обобщенном виде
входными и выходными сигналами, а также
состояниями. Функционирование автомата можно
представить следующим образом:
Автоматный преобразователь
Х
А
У
Y
X
Q
Логический блок
Q
Блок памяти
Q
УА с жесткой логикой
•
Любое цифровое устройство можно рассматривать как устройство,
состоящее из двух частей: операционного и управляющего блоков.
Операционный блок, например АЛУ, характеризуется совокупностью
определённых в нём микроопераций, каждая из которых представляет
собой некоторый выполняемый в данном операционном блоке акт
передачи или преобразования информации. Часть цифрового
вычислительного устройства, предназначенного для выработки
последовательности управляющих функциональных сигналов,
называется управляющим блоком или управляющим устройством (УУ).
•
Формально УУ можно рассматривать как конечный автомат,
определяемый:
1) множеством двоичных выходных сигналов,
2) множеством входных сигналов,
3) множеством подлежащих реализации программ,
4) множеством внутренних состояний.
УА с жесткой логикой
X – множество входных сигналов автомата,
Y – множество выходных сигналов,
D – сигналы управления памятью,
T – сигналы состояния.
Обозначения на схеме автомата с
жесткой логикой
•
УА состоит из 2-х функциональных блоков:
1. КС – комбинационная схема, формирующая выходные сигналы автомата и
сигналы управления памятью.
2. Память автомата – просто набор триггеров (регистр). Кол-во триггеров n
определяется кол-вом k требуемых состояний автомата. k определяется поразному для разных автоматов. Для запоминания этих состояний схема
должна содержать память соответствующей разрядности. Такую память
удобно строить на D триггерах.
Число триггеров определяется по формуле:
где: K – число триггеров
r – число состояний
•
K= log2r
Функционирование УА может задаваться графом переходов либо таблицами
истинности.
УА с хранимой в памяти логикой
Автоматы с хранимой в памяти логикой
• Основа такого управляющего аппарата – ROM – ПЗУ. Каждая
ячейка ПЗУ хранит микрокоманду (МК) – набор выходных
сигналов Y для каждого состояния автомата и набор
управляющих сигналов T для своего сугубо внутреннего
устройства управления УУ.
• В плане генерации выходных сигналов все микропрограммные
автоматы идентичны автомату Мура – Y зависят только от
состояния памяти автомата.
• УА с микропрограммным управлением бывают 2-х типов – с
естественной адресацией микрокоманд и с принудительной. В
каждом случае структура УУ разная.
Вопрос 1
• Укажите отличие автоматов с жесткой
логикой от автоматов с хранимой в
памяти логикой?
Вопрос 2
• Назовите достоинство управляющего
автомата с жесткой логикой.
Определение автомата
Управляющий автомат определяется:
• Множеством выходных сигналов: V= {V1, V2, …, Vm},
• Множеством входных сигналов: U = {U1, U2, …, Un},
• Множеством состояний: Q = {Q0, Q1, …, Qr},
• Множеством подлежащих реализации микропрограмм.
• Автоматный преобразователь может быть задан как автомат
Мура:
Q(t+1) = A[Q(t), U1(t), U2(t), … Un(t)];
V1(t) = B1[Q(t)];
………………………………………….
Vm(t) = Bm[Q(t)];
•
Q(t+1) = A[Q(t), U1(t), U2(t), … Un(t)];
V1(t) = B1[Q(t), U1(t), U2(t), …, Un(t)];
………………………………………...
Vm(t) = Bm[Q(t), U1(t), U2(t), …, Un(t)].
Или автомат Мили:
Определение автомата (продолжение)
• А и В функции переходов и выходов
определяются микропрограммой. Q(t) –
предыдущее состояние автомата, Q(t+1) –
следующее состояние.
• УА может быть задан как автомат Мура или
Мили. Отличаются они тем, что у автомата
Мура выходные сигналы вырабатываются в
зависимости от внутреннего состояния
автомата, а у Мили выходные сигналы
зависят от внутреннего состояния и от
входных сигналов.
Вопрос 3
• Назовите отличие автомата Мура от
автомата Мили.
Пример УА Мура
Пример: Разработать систему логического управления
для ограничения доступа на объект. Система должна
быть построена с использованием автомата Мура.
Цель разработки системы – автоматизация процесса
контроля доступа на объект.
Система должна обеспечивать функции:
- фиксацию времени прихода и ухода посетителей;
- определение времени нахождения посетителей на
объекте;
- регистрацию и выдачу информации о попытках
несанкционированного проникновения в помещение.
Порядок разработки управляющего
автомата
1. Разработка блок-схемы или микропрограммы
управляющего автомата.
2. Создание графа микропрограммного автомата.
3. Таблица кодировки состояний автомата и триггеров.
4. Разработка схемы формирования управляющих
сигналов.
5. Привести основную таблицу для синтеза
управляющего автомата.
6. Используя основную таблицу записать дизъюнкцию
конъюнкций исходных значений автомата и условия
перехода.
7. Создать полную схему автомата.
Микропрограмма системы логического
управления ограничения доступа на объект
Q8
Q6
Q7
Q3
Q5
Q4
Q1
Q2
Параметры
• U1 – сигнал об открытии двери;
• U2 – сигнал о разрешении доступа;
• U3 – сигнал о завершении тревоги;
• U4 – сигнал о выходе посетителя с объекта.
Выходные сигналы (команды)
• V1 – определение номера объекта;
• V2 – включение сигнала о несанкционированном доступе;
• V3 – выключение сигнала о несанкционированном доступе;
• V4 – определение ID – уникального номера посетителя;
• V5 – фиксирование времени входа посетителя с данным ID;
• V6 – фиксирование времени выхода посетителя с данным ID;
• V7 – определение времени пребывания сотрудника с данным ID
Параметры
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Q0 – начальное состояние;
Q1 – определение номера посетителя;
Q2 – сигнал включен;
Q3 – состояние выключения сигнала;
Q4 - определение номера посетителя;
Q5 – определение ID - номера посетителя;
Q6 – состояние времени входа посетителя;
Q7 - состояние времени выхода посетителя;
Q8 – конечное состояние.
Граф микропрограммного автомата
Таблица состояний триггеров
Так как у нас 9 состояний, то нам потребуется 4 триггера (К=log2r), где
К – число триггеров; r – число состояний
Состояние
автомата
Состояние триггеров
Т1
Т2
Т3
Т4
Q0
0
0
0
0
Q1
0
0
0
1
Q2
0
0
1
0
Q3
0
0
1
1
Q4
0
1
0
0
Q5
0
1
0
1
Q6
0
1
1
0
Q7
0
1
1
1
Q8
1
0
0
0
Выходные сигналы и состояния
•
•
•
•
•
•
•
V1= Q1,
V2 = Q2,
V3 = Q3,
V1 = Q4,
V4 = Q5,
V5 = Q6,
V6 = Q7,
V7 = Q8.
Таблица перехода из одного состояния в
другое
Исх.с
остоя
ния
Исходное сост. триггеров
Т4
Т3
Т2
Конеч
ные
сост.
Услови
я
перехо
да
Сигналы на D входах
триггеров.
Т1
D4
D3
D2
D1
Q0
0
0
0
0
Q0
0
0
0
0
Q0
0
0
0
0
Q1
0
0
0
1
Q0
0
0
0
0
Q4
U1U2
0
1
0
0
Q1
0
0
0
1
Q2
1
0
0
1
0
Q2
0
0
1
0
Q3
1
0
0
1
1
Q3
0
0
1
1
Q0
U3
0
0
0
0
Q3
0
0
1
1
Q2
0
0
1
0
Q4
0
1
0
0
Q5
0
1
0
1
Q5
0
1
0
1
Q6
0
1
1
0
Q5
0
1
0
1
Q7
U4
0
1
1
1
Q6
0
1
1
0
Q0
1
0
0
0
0
Q7
0
1
1
1
Q8
1
1
0
0
0
Q8
1
0
0
0
Q0
1
0
0
0
0
1
Функции возбуждения
(сигналы на входы триггеров)
СХЕМА
Вопрос 4
• От чего зависит скорость изменения
состояний управляющего автомата?
Синтез автомата Мили
• Рассмотрим синтез управляющего
автомата Мили, микропрограмма и
граф которого приведены на
следующем слайде.
• Состояния у автомата Мили
отмечаются звездочкой рядом с дугой,
а не напротив блоков с выходными
сигналами как у автомата Мура.
Микропрограмма и граф автомата Мили
Функции выходов
Таблица состояний триггеров
• По аналогии с предыдущим примером
определяем количество триггеров памяти
известным способом и строим таблицу
состояний триггеров.
• Состояний у нас четыре и поэтому два в
степени два будет четыре. т.е. для синтеза
автомата Мили достаточно двух
триггеров. Таблица состояний приведена
на следующем слайде.
Таблица состояний триггеров
триггеро
в
Схема формирования сигналов
управления
Сигналы на входах триггеров
Схема управляющего автомата Мили
1
1
U2
&&
D1
●
1
D
Т
1
○
DC
Q0
1
Т
С
1 U4
&
U2
U4
1
0
Q1
2
●
Q2
D2
D
Т
3
○
Q3
2
2
&
●
U3
●
0
&
1
С
С
Синхр.
Разреш.
V1
V2
●
●
U1
1
U3
1
○
&
●
●
V4
2
3
V5
1
●
V7
V6
V3
Вопрос 5
• Чем определяется управляющий
автомат?
Ответ на вопрос 5
• Формально управляющий автомат можно
рассматривать как конечный автомат,
определенный:
1. множеством двоичных выходных сигналов;
2. множеством входных сигналов;
3. множеством подлежащих реализации
программ;
4. множеством внутренних состояний.
Вопрос 6
• Можно ли назвать управляющим
автоматом банкомат для выдачи денег?
Контрольные вопросы из пособия
• Какими параметрами характеризуется
конечный автомат?
• Формально управляющий автомат можно
рассматривать как конечный автомат,
определенный:
• 1. множеством двоичных выходных сигналов;
• 2. множеством входных сигналов;
• 3. множеством подлежащих реализации
программ;
• 4. множеством внутренних состояний.
Контрольные вопросы из пособия
• Какие команды называются
однофазными?
– Однофазными называются такие команды,
которые выполняются в течении одного
такта.
Спасибо за внимание !
• Если есть вопросы, пожалуйста, задавайте!
• Возникшие вопросы и пожелания присылайте
через диспетчерский отдел ФДО.
• Следующее занятие будет посвящено
промышленным роботам.
• Материалы по этой теме можно найти в учебном
пособии (глава 4 стр. 62 – 91).